TWI255577B - Method and system for improving efficiency of fuel cell in portable devices - Google Patents

Description

1255577 九、發明說明： 【發明所屬之技術領威】 : 本發明係有關於可攜式電子裝置之燃料電池的使用，特別是有· 關於燃料電池使用效率的增進。 · 【先前技術】 燃料電池的使用方式如同一般電池但是可藉由持續地補充燃 料，解決一般電池用盡電量或充電電池長時間充電的問題。直接 式甲醇燃料電池是將甲醇當作燃料飼入陽極面，且陰極面暴露在 週遭空氣中。一般而言是以薄膜電極組件（membrane electrode assembly，MEA)來分離陽極與陰極面，其中還具有一質子交換膜 (proton exchange membrane，PEM)位在兩電極之間。如第一圖所 示，一燃料電池120包括一陽極端121充滿甲醇水溶液且在負極 處產生水循環。在陰極端122的正極處產生空氣循環。經過MEA 的催化作用，曱醇水溶液中的氳原子會分解成質子(H+)與電子（圖 未示）。電子將成為燃料電池的電力來源。而部分質子會通過薄膜 區在陰極端與氧氣結合變成水。從燃料轉化作用中產生的副產 品’陽極端的二氧化碳可輕易地排出燃料電池，而陰極端的水則 必須適當地帶走。燃料電池比較充電電池的一主要優點是可操作 一段長時間而不須一直充電。因為燃料電池沒電時可快速地補充 甲醇水溶液（直接式甲醇燃料電池），勝過需持續充電數小時的充 電電池。現在直接式甲醇燃料電池的使用效率是比較低的，尤其 是當溫度低於某一範圍時，所以想要藉由提昇燃料電池的溫度來 1255577 提高使用效率。 【發明内容】 有鏗於此，本發明 的在於提供一種增進可崔帝 池使用效率的方法及系統。藉由利 ：:: =件所產生的熱能來加熱使__陰極區域二 #:個_池，可以增加效率。因此，依據本發明的精神提 {、—種增料料電子u之 & 電池包括： 1更用效羊的方法，該燃料 一第-電池隔室含有—第—燃料；以及 一燃料活化區間鄰接兮楚 接°亥弟—電池隔室可催化該第-燃料產生 電力供給該可攜式雷不壯 同式電子叙置。該方法包含下列步驟： 加熱至少該第一燃料的一 ^ 、 丨刀以棱供一加熱的第一燃料區； 以及 該加熱的弟一燃料區與該第—電池隔室鄰接的該燃料活化區 間交接可進—步地催倾簡電池的化學反應。 當該燃料電池更包括： ,,、-第二電池隔室含有一第二燃料，該第二電池隔室鄰接該燃 枓活化區間相異於該第—燃料電池隔室之位置。該方法更包含下 列步驟： 加熱至少該第二燃料的—部分以提供另一加熱的第二燃料 區，以及 燃料活化區 a加熱的第二燃料區與該第二電池隔室鄰接的該 1255577 間位置交接。 該第-燃料主要包括酒精類混合物（例如甲醇)及水另還有— 部份的空氣。該燃料活化區間包括—薄膜電極組件以催化^電： 隔室内的該酒精。該加熱的燃料區溫度主要為5。度至Μ 也 高’但需低於該_之沸點n步地，該可攜式電子裳2 括至少-電子零組件(例如CPU)產生熱能和—散料置（例如'―二 熱片）鄰接該電子零組件，排去至少該電子零組件部分的熱能，二 該排去的熱能則用來進行加熱。 該可攜式電子裝置含有-儲存容器容納該第—燃料之燃料， 經由導管將該燃料由該儲存容II傳輸到該燃料電池之該第—電、、也 隔室，並且部分能料在經由㈣從_存容轉輪龍燃料2 池之該第-電池隔室之間被加熱，其中至少部分該導管通過一: 交換器，該熱交換器鄰近該熱傳導裝置可吸收經由該熱傳導裝置 導引之熱能，進而加熱通過該熱交換器内該導管的部分燃料。另 外’該熱交換器鄰接該熱傳導裝置以傳導的方式吸收經由該熱傳 導裝置導引之熱能，又或者’該熱交換器鄰近該熱傳導裝置以對 流或輻射的方式吸收經由該熱傳導裝置導引之熱能。還有，上述 方法更包括-步驟為利用該熱傳導裝置導引之熱能移除該第二電 池隔至產生的該副產品水。另根據本發明之精神提供一個用於可 攜式電子裝置之燃料電池系統，該可攜式電子裝置包括至少一產 生熱能之電子零組件，該燃料電池系統包括： 1255577 一燃料電池包括： 一第一電池隔室含有一第一燃料； 一第二電池隔室含有一第二燃料；以及 一薄膜電極組件位於該第一與該第二電池隔室之間，以催 化至少該第一與該第二燃料之一發生反應產生電力； 一儲存容器含有該第一燃料；以及 一導管，連接該儲存容器與該燃料電池，以從該儲存容器傳 輸該第一燃料至該燃料電池，其中部分該導管鄰近上述該至少一 產生熱能之電子零組件，藉該熱能對經過該導管内的部分該第一 燃料加熱進而提高溫度。 該第一燃料大致上包括酒精與水的混合物，而該第二燃料大 致上包括空氣。 再依據本發明的精神提供一可攜式電子裝置包括： 一處理資料之CPU，該CPU在使用中時會產生熱能； 一熱傳導裝置鄰近該CPU可導引至少部分該CPU產生的熱 能； 一燃料電池可對正在使用中的CPU供給電力，該燃料電池包 括： 一第一電池隔室含有一第一燃料； 一第二電池隔室含有一第二燃料；以及 一薄膜電極組件位於該第一與該第二電池隔室之間，以催 1255577 化至少該第一與該第二燃料之一發生反應產生電力； 一儲存容器含有至少該第一與該第二燃料其中之一； 一導管，連接該儲存容器與該燃料電池，以從該儲存容器傳 輸至少該第一與該第二燃料其中之一至該燃料電池，其中部分該 導管鄰近上述該至少一產生熱能之電子零組件，藉該熱能對經過 該導管内的部分至少該第一與該第二燃料其中之一加熱進而提高 溫度。 為了讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易 懂，下文特舉數個實施例，並配合所附圖示2a_8，作詳細說明如 下。 【實施方式】 當可攜式電子裝置（例如筆記型電腦、平板型電腦）的計算速度 不斷提昇，由可攜式電子裝置的CPU或其他零件產生之熱能成為 必須解決的問題。在一般的可攜式電子裝置中會使用一至數個的 導熱體（例如散熱片）將CPU上的熱能傳導出來，且可搭配風扇與 出風口將可攜式電子裝置内的熱能帶出去。 因為直接式甲醇燃料電池（direct methanol fuel cell，DMFC)的 效率會受到燃料電池的溫度所影響。本發明之精神即是利用多餘 的熱能去加熱燃料電池的甲醇液體，並且使空氣在燃料電池之電 極處產生循環的作用，以達到增進燃料電池的效率之目的，在此 也同時減少可攜式電子裝置内多餘的熱能。更進一步地利用可攜 式電子裝置内CPU散熱片及其他電子零組件上的熱能，去除燃料 1255577 轉化作用生成的水及排出水蒸氣，這個動作也可降低可攜式電子 裝置内的溫度。參考第2a圖，依據本發明的精神來增進一可攜式 · 電子裝置之燃料電池使用效率的方法。如圖所示一個儲存容器110 . 用來飼入曱醇液體(MeOH + H2〇)到DMFC 120的陽極121，運用平板 ~ 或筆記型電腦200所產生的熱能將曱醇液體在還沒被飼入燃料電 池120之前就先加熱。此外也運用筆記塑電腦200的熱能將在陰 極端122循環的空氣加熱，然而當陽極端121的副產品二氧化碳 被排出燃料電池時，在陰極端122的副產品水會經由導管150從 燃料電池120傳輸到儲存容器11〇。為了更加有效率的使用多餘 . 的熱能請參考2b圖，將筆記型電腦200產生的熱能與空氣導入熱 _ 交換器130，而優處是熱交換器no是鄰接在散熱片210之上， 如圖2b所示甲醇液體從儲存容器no經輸入導管131傳輸到熱交 換器130内的導管134，之後被加熱的甲醇液體會經過輸出導管 132飼入到燃料電池120中。理想上，被加熱的甲醇液體溫度主 要位在50-60 X，但其實也可高過60°c不過需低於9〇 X。當要使用燃料 電池120供給電力給筆記型電腦2〇〇時，最好能將燃料電池12〇鄰接於筆 記型電腦200如圖3a-3d所示。優處是儲存容器ι1〇鄰近於燃料電池12〇， 另外圖3a-3c也顯示了其他在燃料電池模組1〇〇的零件。如圖如所示，筆 e己型電細2G()包括-個顯示區域2()4及-個資料處理區域2G6。燃料電池 模、、且100包括個工氣幫浦14〇、一個風扇或排氣孔22〇、熱交換器 13〇兵各個$官m、132、15〇。另外有_個保護罩或殼體16〇覆 1255577 蓋燃料電池模組100的表面，此殼體160有複數個排氣孔161使 燃料電池模組100產生空氣循環。圖3c顯示了圖3b之筆記型電， 腦系統的分解圖。如圖3C所示，風扇22〇及熱交換器13〇的一部: 份都鄰接在散熱片210之上來降低散熱片21〇之溫度，而散熱片-21〇可放置在筆記型電腦200内的cpu(圖未示）。圖是在說 明燃料電池模組100與其零組件和筆記型電腦2〇〇之連接關係， 在圖3a與3b中顯示區域204是位在資料處理區域2〇6之下。而 在使用筆記型電腦200時燃料電池模組1〇〇與殼體16〇都要放置 拳 在筆記型電腦下方，如圖％所示。在圖sd中筆記型電腦為一使▲ 用中打開的狀悲，露出顯示面板2〇5位在顯示區域2〇4，及一鍵 盤207在資料處理區域2〇6。另外儲存容器11〇包括一燃料袋m . 儲存甲醇液體，燃料袋U1可從圖4與圖5中儲存容器iiq中顯 示出來。圖5顯示了燃料袋⑴是有收縮性，以產生收縮壓力將 甲醇液體推入活門114而傳輸到燃料電池12〇。在燃料袋ui外的 隔間區118可以儲存燃料電池12〇的水，而燃料電池12〇的水是 · 經由導官150(見圖4)透過活門116而進到隔間區118。在圖汕中 甲醇液體在熱父換器130中加熱，而燃料電池12〇的陰極反 應所而的玉氣也可用其他方式加熱。例如圖如所示運用一個風扇 220將空氣飼入燃料電池12〇的陰極122，加熱的空氣是用風扇 220從CPU的散熱片21〇或其他零組件上引來，所以也可如圖佔 中使用空氣幫浦來提供燃料電池12〇的陰極122所需之加熱空 11 1255577 氣，又或者將空氣幫浦140搭配風扇220來導引加熱空氣到燃料 電池120的陰極122端。除了在圖2 b中使用熱交換器130的方式 ： 來加熱甲醇液體外，也可透過將導管設置於散熱器附近靠輻射與 -對流作用來加熱曱醇。如圖7a所示，一個摺疊的導管138被放置 在散熱片210的上方用以加熱在導管138中的甲醇液體。或者至 少將燃料電池120的一部份鄰接在散熱片210的上方，直接傳導 散熱片210的熱能來加熱。再者將燃料電池120放置在散熱片210 的上方靠輻射與對流作用來加熱曱醇液體，如圖7c中所示。燃料 電池模組110中包括許多發熱的零組件可用來供給電力給可攜式 -電子裝置例如平板電腦202(在圖8)。如圖8所示，顯示區域與資 -料處理區域可以整合在一起，再將燃料電池置於平板電腦202之 下，至於散熱片210、風扇220、空氣幫浦140、熱交換器130與 殼體160大致上的擺設位置與圖3a-3c及圖6a-7c中相同。然而或 許上述的零組件擺設位置有些不同，但是運用CPU或其他零組件 的熱能來增進燃料電池效率之方法仍然是可以達成的。 雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本 發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當 可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請 專利範圍所界定者為準。 12 1255577 【圖式簡單說明】 第1圖係繪示一直接式甲醇燃料電池。 _ 第2a圖係繪示依據本發明的較佳實施例來增進一直接式甲醇 ; 燃料電池使用效率的方法。 — 第2b圖係繪示依據本發明使用一熱交換器去加熱甲醇液體。 第3a圖係繪示一燃料電池與一儲存器鄰接在一可攜式電腦 上。 第3b圖係繪示一殼體用以組成燃料電池之外蓋。 · 第3 c圖係繪示可攜式電腦/燃料電池之分解圖。 第3d圖係繪示當可攜式電腦使用中時，可攜式電腦與燃料電 池之相對位置。 ~ 第4圖係剖面顯示燃料補充單元内的一收縮式燃料袋。 _ 第5圖係橫截面顯示一收縮式燃料袋位於燃料補充單元内。 第6a圖係繪示使用一風扇將一散熱片的熱空氣傳到燃料電池 的陰極。 Φ 第6b圖係繪示使用一唧筒將可攜式電腦的熱空氣傳到燃料電 池的陰極。 第6c圖係繪示使用一唧筒配合風扇將可攜式電腦的熱空氣傳 到燃料電池的陰極。 第7a圖係繪示將燃料傳導管置於散熱片附近藉由輻射與對流 作用來加熱。 第7b圖係繪示燃料電池鄰接於散熱片直接加熱。 13 1255577 第7c圖係繪示燃料電池置於散熱片上藉由輻射與對流作用來 加熱。 第8圖係繪示燃料電池使用於一平板式電腦。 【主要元件符號說明】 100燃料電池模組 210散熱片 110 儲存容器 220風扇/排氣孔 111 燃料袋 114 活門 116 活門 118 隔間區 120 燃料電池 121 陽極 122 陰極 130 熱交換器 131 導管 132 導管 134導管 138導管 140 空氣幫浦 150 導管 160 殼體

14 1255577 161排氣孔 200筆記型電腦 202平板電腦 204顯示區域 205顯示面板 206資料處理區域 207 鍵盤

Claims (1)

125」撕α1，笔)正本 專利申請範圍： 該燃料電 進可m子裝置之嶋電池效率的方法 池包括： -第-電池隔室含有—第—燃料；以及 一燃料活化區間鄰接該第— -纽一 可催化該第-燃料產生 电力供料可攜式電子裝置，該方法包含下列步驟： 燃料區， 以及 加熱至少該第—燃料的—部分以提供—加熱的第 吕亥加熱的第一燃料區與該第一 :6 電池隔至鄰接的該燃料活化區 曰1交接可進，步地催化該簡電池的化學反應。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法， 括： 其中該燃料電池更包 一第二電池隔室含有一第二烬料 笛-^、 卄洛弟一電池隔室鄰接該燃 料活化區間相異於該第一燃料電池之仿 列步驟： 加熱至少該第二燃料的一部分以提供另 區；以及 丨同至之位置，該方法更包含下 加熱的第二燃料 燃料活化區 忒加熱的第二燃料區與該第二電池隔室鄰接的該 間位置交接。 攜式電子裝置 16 1 ·如申请專利範圍第1項所述之方法，其中該可 1255577 且忒加熱步驟中是運用該至 包括至少一產生熱能之電子零組件 少一電子零组件產生之熱能。 勺括請專利範圍第2項所述之方法，其中該可⑼電子裝置 :導：產生熱能之電子零組件與-連接於該電子零組件之熱 該熱能 ’經由該熱傳導裝置導引該電子零組件之熱能， 是被用在該加熱步驟中。 &如申請專利範圍第丨項所叙方法，其中該第—㈣ 包括酒精與水的混合物。 '' 6.如㈣專利範㈣5_述之方法，其中魏料電池包括一 直接式甲醇燃料電池並且該酒精大致上包括甲醇。 7·如巾請專利範圍第5項所述之方法，其中該活化區間包括薄 膜電極組件㈣使該第—電池隔室的痛產生活化反應。 8.如中請專利範圍第2項所述之方法，其中該活化區間包括薄 膜電極組件’該第—燃料大致上包括酒精與水的混合物，而該第 二燃料大致上包括空氣。 9·如申請專利範圍第W所述之方法，其中該可攜式電子裝置 含有-儲存容器容納該第-燃料之燃料，經由導管將該燃料由該 儲存容ϋ傳輸到該燃料電池之該第1池隔室，並且部分該燃料 17 1255577 在經由導管從該儲存容器 間被加熱 傳輪到該燃料電池之該第-電池隔室 之 置包：請專利範圍第9項所述之方法，其中該可攜式電子裝 巴-產生熱能之電子零組件與—連接 埶傳導奘罢π丄 甩』7、、且件之 、，⑼該熱傳導裝置導引該電子零組件之熱能，且至 W分該導料㈣熱料裝置叹部分_料在㈣ 被該熱能加埶。 ^ 4 U·如申請專利範圍第1〇項所沭 、、 ㈤牙所迷之方法，其中至少部分該導管 置可吸收經由該熱 ，進而加熱通過該熱交換器内該導管的部分 通過熱交換器，該熱交換器鄰近該熱傳導裝 傳導裝置判之熱能 燃料 * 12.如申請專利範圍第丨丨項所述之方法，其中鄉交換器鄰接 々、、、傳導裝置以料的方式吸收經由該熱傳導裝置導引之熱能。 卞敎13.如中請專利範圍f u項所述之方法，其中該熱交換器鄰近 -亥熱傳導裝置以對流或㈣的方式吸收經由該熱傳導裝置導引之 熱能。 … " H·如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該熱傳導裝置包 括一散熱片。 18 1255577 16·如”專利範圍第15項所述之方法，其中該熱傳 括一鄰接該CPU的散熱片， 導裝置包 可導引該CPU產生的熱 月匕 》申明專利軌圍第16項所述之方法，其中熱傳導褒置 括一接近該散熱__，可增加料⑽熱能的效率。 括一請專利範圍第4項所述之方法’其中魏 19.如中請專利範圍第7項所述之方法，其中該可攜式電㈠ 置已括至）一產生熱能之cpu，與一鄰近該咖之熱傳 導引該咖產生的熱能，並且該燃料電池會在該、4置以 =水，上述方_括—步_用_=:產 '降垓第二電池隔室產生的該副產品水。 腦 置m專，第1項所述之方法七該可以電子裝 的第一燃 22’如申請專利範圍第5項所述之方法，其中該加熱 19 1255577 料區大致上溫度為50°C-85°C 23.—種用於可攜式電子裝置之燃料電池系統，該可攜式電子 裝置包括至少一產生熱能之電子零組件，該燃料電池系統包括： 一燃料電池包括： 一第一電池隔室含有一第一燃料； 一第二電池隔室含有一第二燃料；以及 一薄膜電極組件位於該第一與該第二電池隔室之間，以催 :化至少該第一與該第二燃料之一發生反應產生電力； 一储存容器含有該第一燃料；以及 .一導管，連接該儲存容器與談燃料電池，以從該儲存容器傳 輸該第一燃料至該燃料電池，其中部分該導管鄰近上述該至少一 • . . 產生熱能之電子零組件，藉諄熱能對經過該導管内的部分該第一 燃料加熱進而提高溫度。 24·如申請專利範圍第23項所述之燃料電池系統，其中該第一 燃料大致上包括酒精與水的混合物。 25·如申請專利範圍第24項所述之燃料電池系統，其中該酒精 大致上包括曱醇。 26·如申請專利範圍第23項所述之燃料電池系統，其中該第二 燃料大致上包括空氣。 20 1255577 27.如申請專利範圍第23項所述之燃料電池系統，其中該至少 一電子零組件包括一 CPU且該可攜式電子裝置更包括一熱傳導裝 - 置鄰近該CPU以導引該CPU產生的熱能，並且該導管鄰近該熱 -傳導裝置，可讓經過該導管的該第一燃料被該熱傳導裝置導引之 該熱能加熱。

28.如申請專利範圍第27項所述之燃料電池系統，更包括一熱 交換器鄰近該熱傳導裝置，以及該導管是被該熱交換器吸收該熱 傳導裝置導引之該熱能所加熱。 29.如申請專利範圍第23項所述之燃料電池系統，更包括一裝 置在該第二燃料傳輸到該燃料電池内的該第二電池隔室之前就對 該第二燃料加熱。 30.—種可攜式電子裝置，包括：

一處理資料之CPU，該CPU在使用中時會產生熱能； 一熱傳導裝置鄰近該CPU可導引至少部分該CPU產生的熱

一燃料電池可對正在使用中的CPU供給電力，該燃料電池包 括： 一第一電池隔室含有一第一燃料； 一第二電池隔室含有一第二燃料；以及 一薄膜電極組件位於該第一與該第二電池隔室之間，以催 21 1255577 化至少該第一與該第二燃料之―發生反應產生電力； .魅料其中之一； 儲存容器含有至少該第一與該第 存容㈣__池，以從該儲存容器傳 二广:與該第二燃料其中之-至該燃料電池，其中部分該 、吕舛I5近上述該至少一產生熱能之 -^ ^ U t令組件，猎该熱能對經過 之一加熱進而提高 崎管内的部分至少該第—與該第二燃料其中 0W ώ： /皿度。 31♦如申請專利範圍第3〇項所述之可攜式電子裝置，包括-膝 土型電腦。 32.如巾請專職圍第如項所.述之可攜式電子裝置，包括一平 板電腦。 ... 、 ..... ·’ 3:3 ·如申凊專利範圍第3 〇項所述之可攜式電子裝置，包括一筆 記型電腦。 ’ ： ： 34.如申請專利範圍第3〇項所述之可攜式電子裝置，其中至少 該第-與該第二燃料其中之—大致上包括酒精與水的混合物，而 另一燃料則大致上包括空氣。 22